Meranie fázového uhla. Získanie požadovaného fázového posunu

Urobme nasledujúci experiment. Zoberme si osciloskop popísaný v § 153 s dvoma slučkami a zaraďme ho do obvodu tak (obr. 305, a) aby slučka 1 bola zaradená do obvodu v sérii s kondenzátorom a slučka 2 bola paralelná s týmto kondenzátorom. Je zrejmé, že krivka získaná zo slučky 1 znázorňuje tvar prúdu prechádzajúceho kondenzátorom a zo slučky 2 udáva tvar napätia medzi doskami kondenzátora (bodmi a), pretože v tejto slučke osciloskopu je prúd pri každý časový okamih je úmerný napätiu. Skúsenosti ukazujú, že v tomto prípade sú krivky prúdu a napätia mimo fázy, pričom prúd predbieha napätie vo fáze o štvrtinu periódy (o ). Ak by sme nahradili kondenzátor cievkou s veľkou indukčnosťou (obr. 305, b), potom by sa ukázalo, že prúd zaostáva za napätím o štvrtinu periódy (o). Nakoniec, rovnakým spôsobom by sa dalo ukázať, že v prípade aktívneho odporu sú napätie a prúd vo fáze (obr. 305, c).

Ryža. 305. Skúsenosti so zisťovaním fázového posunu medzi prúdom a napätím: vľavo - schéma experimentu, vpravo - výsledky

Vo všeobecnom prípade, keď časť obvodu obsahuje nielen aktívny, ale aj reaktívny (kapacitný, indukčný alebo oboje) odpor, napätie medzi koncami tejto časti je fázovo posunuté vzhľadom na prúd a fázový posun leží v rozsah od do a je určený pomerom medzi aktívnym a jalovým odporom tejto časti obvodu.

Aký je fyzikálny dôvod pozorovaného fázového posunu medzi prúdom a napätím?

Ak obvod neobsahuje kondenzátory a cievky, t.j. kapacitné a indukčné odpory obvodu je možné zanedbať v porovnaní s aktívnym, potom prúd nasleduje napätie a súčasne prechádza cez maximálne a nulové hodnoty, ako je znázornené na obr. 305, v.

Ak má obvod výraznú indukčnosť, potom keď ním prechádza striedavý prúd, v obvode sa objaví e. d.s. samoindukcia. Toto e. d.s. podľa Lenzovho pravidla smeruje tak, že má tendenciu predchádzať tým zmenám magnetického poľa (a následne zmenám prúdu, ktorý toto pole vytvára), ktoré spôsobujú napr. d.s. indukcia. So zvyšujúcim sa prúdom e. d.s. samoindukcia zabraňuje tomuto zvýšeniu, a preto prúd dosiahne maximum neskôr ako pri absencii samoindukcie. Keď súčasná e. d.s. samoindukcia má tendenciu udržiavať prúd a nulové hodnoty prúdu sa dosiahnu neskôr ako pri absencii samoindukcie. V prítomnosti indukčnosti teda prúd zaostáva vo fáze s prúdom pri absencii indukčnosti, a preto zaostáva vo fáze s napätím.

Ak je možné zanedbať aktívny odpor obvodu v porovnaní s jeho indukčnou reaktanciou, potom oneskorenie prúdu za napätím v čase je (fázový posun je rovný), t.j. maximum sa zhoduje s, ako je znázornené na obr. 305b. V tomto prípade je skutočne napätie na aktívnom odpore, pretože, a teda, všetko vonkajšie napätie je vyvážené napr. d.s. indukcia, ktorá je oproti nej v smere: . Maximum sa teda zhoduje s maximom, teda nastáva v momente, keď sa mení najrýchlejšie, a to sa deje vtedy. Naopak, v momente, keď prechádza cez maximálnu hodnotu, je zmena prúdu najmenšia, teda v tomto momente.

Ak aktívny odpor obvodu nie je taký malý, že ho možno zanedbať, časť vonkajšieho napätia klesne na odpor a zvyšok sa vyrovná napr. d.s. samoindukcia: . V tomto prípade je maximum oddelené od maxima v čase menej ako (fázový posun je menší ako ), ako je znázornené na obr. 306. Výpočet ukazuje, že v tomto prípade možno fázové oneskorenie vypočítať podľa vzorca

. (162.1)

Pre máme a , ako je vysvetlené vyššie.

Ryža. 306. Fázový posun medzi prúdom a napätím v obvode obsahujúcom aktívne a indukčné odpory

Ak obvod pozostáva z kapacitného kondenzátora a aktívny odpor možno zanedbať, potom sa dosky kondenzátora pripojené k zdroju prúdu s napätím nabijú a medzi nimi sa objaví napätie. Napätie na kondenzátore sleduje napätie zdroja prúdu takmer okamžite, to znamená, že dosiahne maximum súčasne s a zmizne, keď .

Vzťah medzi prúdom a napätím je v tomto prípade znázornený na obr. 307 a. Na obr. 307b podmienečne zobrazuje proces dobíjania kondenzátora spojeného s výskytom striedavého prúdu v obvode.

Ryža. 307. a) Fázový posun medzi napätím a prúdom v obvode s kapacitným odporom pri absencii aktívneho odporu. b) Proces dobíjania kondenzátora v obvode striedavého prúdu

Keď je kondenzátor nabitý na maximum (t.j. a preto a majú maximálnu hodnotu), prúd a všetka energia obvodu je elektrická energia nabitého kondenzátora (bod na obr. 307, a). Keď sa napätie zníži, kondenzátor sa začne vybíjať a v obvode sa objaví prúd; smeruje z obloženia 1 k obloženiu 2, teda k napätiu. Preto na obr. 307 a zobrazuje sa ako záporný (body ležia pod časovou osou). V čase, keď je kondenzátor úplne vybitý ( a ), a prúd dosiahne svoju maximálnu hodnotu ( bod ); elektrická energia je nulová a všetka energia sa redukuje na energiu magnetického poľa vytvoreného prúdom. Ďalej sa znamienko zmeny napätia a prúd začína oslabovať, pričom si zachováva rovnaký smer. Keď ( a ) dosiahne maximum, všetka energia sa opäť stane elektrickou a prúd ( bod ). V budúcnosti (a) začne klesať, kondenzátor sa vybije, prúd sa zvýši, teraz má smer od dosky 2 k doske 1, t.j. kladný; prúd dosiahne maximum v okamihu, keď (bod ) atď. Z obr. 307, je možné vidieť, že prúd dosahuje maximum a prechádza nulou skôr ako napätie, t.j. prúd vedie k napätiu vo fáze, ako je vysvetlené vyššie.

Ryža. 308. Fázový posun medzi prúdom a napätím v obvode obsahujúcom aktívne a kapacitné odpory

Fáza charakterizuje okamžitú hodnotu harmonického signálu v určitom časovom bode. Jednotkou fázy je elektrický stupeň alebo radián. Fázový posun je určený dvoma hlavnými metódami: priamym hodnotením a porovnaním.

Fázomery na priame vyhodnocovanie zahŕňajú analógové elektromechanické zariadenia s pomerovým mechanizmom, analógové elektronické merače fázy a digitálne merače fázy.

Porovnávacia metóda sa meria pomocou osciloskopu. Táto metóda sa používa v obvodoch s nízkym výkonom, s malou úrovňou meraných signálov, kde nie je potrebná vysoká presnosť. Pre presnejšie výsledky sa používa kompenzačná metóda, kde osciloskop slúži ako indikátor fázovej rovnosti.

Pri meraní vo frekvenčnom rozsahu signálov od niekoľkých desiatok do 6-8 kHz sa používajú pomerové prístroje, čo umožňuje merať signály veľkých amplitúd s nízkou presnosťou a vysokou vlastnou spotrebou prístroja.

Analógové elektronické fázové merače. Prevádzka dvojkanálového obvodu, analógového elektronického fázového merača, je založená na premene uhla posunu medzi signálmi na časové intervaly medzi impulzmi. T, po ktorom nasleduje prevod na aktuálny rozdiel Icp, ktorého priemerná hodnota je úmerná tomuto uhlu.

Vzorec vyjadrujúci závislosť uhla posunu od výstupného prúdu obvodu je napísaný takto:

Ψ=(180*Icp)/Im;

kde Ψ je uhol fázového posunu;
Icp je priemerná hodnota rozdielu prúdu na výstupe obvodu;
Im je amplitúda výstupných impulzov.

Harmonické signály U1 a U2 sa privádzajú do referenčného a signálneho vstupného prvku obvodu. Vstupný prvok je zosilňovač obmedzujúci vstupný signál a používa sa na konverziu sínusových signálov na sériu impulzov s konštantným predným sklonom.

Synchronizované multivibrátory pod vplyvom vstupného signálu generujú pravouhlé impulzy (graf 3). Výstupné signály multivibrátorov majú konštantnú dobu trvania T/2 a na chvíľu sa voči sebe posunuli ΔTúmerné uhlu ψ .

Výstupný signál z referenčnej a signálovej časti obvodu je privádzaný do špeciálneho diferenciačného prvku, na výstupe ktorého sú generované hrotové signály. Pozitívne impulzy sa premieňajú na fronty, negatívne na rezy (graf 4).

Výstupné multivibrátory prijímajú nasledujúce signály. Deň voľna MV referenčný kanál: kladný impulz referenčného kanála a záporný impulz meracieho kanála. Výstup meracieho kanála MW: kladný impulz meracieho kanála a záporný impulz referenčného kanála.

Zároveň na výstupe referencie MV prijímať signál s trvaním (T/2+ΔT) a na výstupe merania MW–(T/2-ΔT).

Merací mikroampérmeter, pripojený k rozdielu impulzov výstupu MV, ukazuje priemernú hodnotu rozdielu prúdu:

Icp=(2AT/T)Im;

Ak do tohto výrazu dosadíme vzorce ψ=ωΔТ, ω=2π/Т, dostaneme:

ψ=360°ΔT/T=(180°Icp)/Im;

Stupnica ampérmetra je kalibrovaná v jednotkách uhla fázového posunu. Chyba pri použití tejto metódy závisí od triedy presnosti zariadenia.

Digitálne fázové merače. Princíp fungovania týchto digitálnych zariadení je založený na závislosti ψ=360ºΔT/T, ale namiesto násobiteľa ΔT/T vzorec zahŕňa hodnotu počtu vzorových impulzov N. Činnosť digitálneho fázového merača je znázornená na obrázku 2.

Doba otvorenia prepínača času závisí od meraného obdobia T. Počas tohto časového úseku prechádza signál referenčnej frekvencie cez volič času fo a príkladné trvanie To, vydaný generátorom časových pečiatok. Počet impulzov N za obdobie T bude:

N=T/To;

Vstupné signály U1 a U2 pomocou tvarovača stroboskopických impulzov sa prevedú na sériu impulzov posunutých v čase o ΔTúmerné fázovému posunu signálov. Čas otvoreného stavu voliča času je rovný ΔT a počet zmeškaných impulzov referenčnej frekvencie je:

n=AT/To;

Potom závislosť ψ o frekvencii a počte impulzov referenčnej frekvencie sa zapíše takto:

ψ=360ºn/N alebo ψ=360°(fo/f)n;

Takéto frekvenčné počítadlá sa používajú za podmienky, že referenčná frekvencia je viac ako 1000-násobok frekvencie signálu.

Na meranie priemernej hodnoty fázového posunu je do obvodu digitálneho fázového merača pridaný ďalší časový volič ovládaný deličom napätia. V tomto prípade niekoľko skupín impulzov prejde cez dva sériovo zapojené časové voliče, ktoré sú úmerné veľkosti uhlu posunu.

Porovnávacie meranie. Na určenie fázového posunu porovnaním sa používa elektronický osciloskop. Fázový posun ψ sa nachádzajú podľa parametrov obrázkov zobrazených na obrazovke osciloskopu pracujúceho v lineárnom alebo kruhovom režime.

Pri použití dvojlúčového osciloskopu sa na zvislé vychyľovacie dosky privádzajú dva signály rovnakej frekvencie, medzi ktorými sa meria fázový posun. Keď sú vodorovné čiary dvoch signálov zarovnané, na obrazovke osciloskopu sa zobrazí diagram z obr. 3. Podľa segmentov nameraných na stupnici ab a ac určiť:

ψ=360ºΔТ/Т=360º.

Chyba tejto metódy spočíva v nepresnosti pri určovaní segmentov ab a ac, nepresné zarovnanie obrysových čiar a hrúbka svetelného lúča na obrazovke.

Pri meraní ψ podľa Lissajousových obrázkov sú namerané napätia aplikované na horizontálne a vertikálne vstupy osciloskopu. Na obrazovke sa zobrazí elipsa.

Stred elipsy je zarovnaný so stredom súradnicového systému. Meraním veľkosti segmentov na obrazovke ALE a AT, fázový posun nájdeme podľa vzorca:

ψ=arctg(A/B);

Chyba merania ψ Metóda Lissajousovej postavy je 5-10%. Ďalšou nevýhodou metódy je meranie fázového posunu bez určenia znamienka.

Táto nevýhoda je riešená nasledovne: napätie u2 sa súčasne privádza do horizontálnych dosiek a do modulátora katódovej trubice s fázovým posunom 90°. Zároveň v pásme kladných hodnôt ψ - horná časť elipsy žiari jasnejšie a s negatívom - spodná časť.

Najpresnejšie definície ψ vykonaná kompenzačnou metódou. Na tento účel použite príkladný fázový posúvač (RC reťazec, mostík alebo transformátorový obvod), ktorý je súčasťou obvodu jedného z napätí. Fázový posúvač zavádza fázový posun rovný, ale opačný ako nameraný ψ .

Pri strihaní ψ na obrazovke osciloskopu bude šikmá čiara vychýlená doprava od vertikály. Ak je čiara naklonená doľava, posun je (180º-ψ).

Jednotkami fázového posunu sú radiány a stupne:

1° = π/180 rad.

Elektronické merače fázového rozdielu a skupinového oneskorenia sú v katalógovej klasifikácii označené nasledovne: F1 - referenčné prístroje, F2 - fázové merače, FZ - meracie posúvače fáz, F4 - merače skupinového oneskorenia, F5 - korelačné merače.

Elektromechanické fázové merače na prednom paneli majú označenie ∆φ.

Fáza charakterizuje stav harmonického procesu v danom čase:

u(t) =U m hriech (ωt+ φ).

Fáza je celý argument sínusovej funkcie ( ωt+ φ). Zvyčajne sa ∆φ meria pre oscilácie rovnakej frekvencie:

ty 1(t) =U m hriech( ωt+ φ 1);

ty 2(t) =U m hriech( ωt+ φ 2).

V tomto prípade fázový posun

∆φ = ( ωt+ φ 1) - ( ωt- φ 2) = φ 1 - φ 2 (5.10)

Pre jednoduchosť sa počiatočná fáza jednej oscilácie berie ako nula (napríklad φ 2 = 0), potom ∆φ = φ 1.

Vyššie uvedený koncept fázového posunu platí len pre harmonické signály. Pre neharmonické (impulzné) signály platí koncept časového posunu (čas oneskorenia t3), ktorých schémy sú znázornené na obr. 5.6.

Ryža. 5.6. Stresové diagramy s časovým posunom

Meranie fázového posunu je široko používané pri priemyselných a mikrovlnných frekvenciách, t.j. v celom frekvenčnom rozsahu.

K fázovému posunu dochádza napríklad medzi vstupným a výstupným napätím štvorpólu, ako aj v obvodoch striedavého prúdu medzi prúdom a napätím a určuje účinník (cos φ), a teda výkon v skúmanom obvode.

Na meranie fázového posunu pri priemyselných frekvenciách sa široko používajú elektromechanické fázomery elektrodynamických a ferodynamických systémov. Nevýhodou takýchto fázových meračov je pomerne veľká spotreba energie zo zdroja signálu a závislosť odčítania od frekvencie. Relatívna znížená chyba elektromechanických fázových meračov - nie viac ako ±0,5%.

V závislosti od požadovanej presnosti merania fázového posunu a frekvencie signálu sa používa jedna z nasledujúcich metód: oscilografická (jedna z troch), kompenzácia, elektronická metóda diskrétneho počítania, metóda premeny fázového posunu na prúdové impulzy, metóda merania pomocou fázy merače založené na mikroprocesorovom systéme, metóda prevodu frekvencie signálu.

Oscilografické metódy, zase sa delia na tri: lineárny priebeh, sínusový priebeh (elipsa) a kruhový priebeh.

Na realizáciu lineárna metóda zametania použite dvojkanálový alebo dvojlúčový osciloskop (alebo jednolúčový osciloskop s elektronickým spínačom). Na obrazovke sa získa obraz sínusových signálov (obr. 5.7).

Ryža. 5.7. Oscilogramy dvoch sínusových signálov pri meraní fázového posunu metódou lineárneho rozmietania

Signály ty 1(t)a ty 2(t) sa privádzajú na vstupy Y1 a Y2 osciloskopu. Aby sa zabezpečila nehybnosť oscilogramov, je potrebné synchronizovať rozmietanie s jedným zo skúmaných signálov.

Podľa meraných segmentov 0 a a 0 b fázový posun sa vypočíta zo vzťahu

(5.11)

Metóda lineárneho rozmietania umožňuje určiť znamienko fázového posunu, pokrýva celý rozsah jeho merania - 0...360°. Chyba metódy je ± (5...7°) a je určená nelinearitou vyvíjajúceho sa napätia, nepresnosťou merania lineárnych rozmerov segmentov 0 a a 0 b, kvalita zaostrenia a svetelnosť lúča (t.j. zručnosť obsluhy).

Metóda sínusového pohybu implementované pomocou jedného; lúčový osciloskop. Študované signály s napätím u 1 (t) a u 2 (t) aplikované na vstupy X a Y osciloskopu, keď je interný generátor lineárneho rozmietania vypnutý. Na obrazovke sa objaví obrazec v tvare elipsy (obr. 5.8), ktorého tvar závisí od fázového posunu medzi dvoma napätiami a ich amplitúd. Fázový posun je určený vzorcom

(5.12)

Ryža. 5.8. Výsledný oscilogram pri meraní fázového posunu metódou sínusového rozmietania

Na zníženie chyby sa amplitúdy pred meraním vyrovnajú. X t a Ym ich plynulá regulácia na kanáloch Y a X.

Metóda sínusového rozmietania umožňuje merať fázový posun v rozsahu od 0 ... 180 ° bez určenia znamienka.

Chyba merania ∆φ metódou sínusového rozmietania (elipsová metóda) závisí od presnosti merania segmentov obsiahnutých v rovnici (5.12), od kvality zaostrenia a jasu lúča na obrazovke CRT. Tieto príčiny majú výrazný účinok pri fázovom posune blízkom nule a 90°.

Obe uvažované metódy sú nepriame a dosť prácne.

Metóda kruhového zametania - najpohodlnejšia metóda osciloskopu na meranie fázového posunu. V tomto prípade sa znamienko fázového posunu určuje v celom rozsahu merania uhla (0...360°). Chyba merania je konštantná v celom rozsahu.

Bloková schéma osciloskopu pri meraní fázového posunu metódou circle sweep je na obr. 5,9, a.

Ryža. 5.9. Štrukturálny diagram implementácie metódy kruhového zametania (a)čítanie uhla (b) a diagramy sínusových signálov (v) pri meraní fázového posunu

Vstupy X a Y osciloskopu sú sínusové signály s napätím U 1 a U 3, posunuté voči sebe o 90 ° pomocou fázového posúvača pozostávajúceho z odporu a kondenzátora. Ak sú odpory ramien amplitúdy napätia rovnaké U 1 a U 3 sú tiež rovnaké a na obrazovke bude pozorovaný oscilogram vo forme kruhu (obr. 5.9, b).

Porovnané signály u 1 (t) a u 2 (t) sú privádzané na vstupy dvoch rovnakých tvarovačov, ktoré premieňajú sínusové napätie na sekvenciu krátkych unipolárnych impulzov s napätím u 4 a U 5(Obr. 5.9 , v) so strmými frontami. Začiatok impulzov sa zhoduje s momentom prechodu sínusoidov cez časovú os, keď sa zvyšujú. Napäťové signály u 4 a U 5 vstúpite do logického obvodu OR, kde sa sčítajú a na výstupe sa objaví sekvencia impulzov s napätím TY 6 , ktoré sa privádzajú na riadiacu elektródu (modulátor) trubice, riadiacu jas lúča v bodoch 1 a 2, a na kružnici v bodoch 1 a 2 sú pozorované body so zvýšenou jasnosťou.

Fázový posun medzi signálmi nastáva nasledovne (pozri obr. 5.9, b). Pri meraní je stred priehľadného uhlomeru zarovnaný so stredom kruhu, ktorého celkový obvod zodpovedá 360°. Za obdobie Tštudované signály s napätím U 1 a U 2 elektrónový lúč opisuje kružnicu. Oblúk medzi bodmi 1 a 2, ktorého dĺžka sa rovná určitému uhlu α, je opísaný lúčom počas doby oneskorenia týchto signálov: ∆ t =∆φ T/ 360°, odkiaľ α= ∆φ.

Absolútna chyba merania metódou kruhového skenovania dosahuje 2...5° a závisí od presnosti určenia stredu kruhu, presnosti merania fázového posunu pomocou uhlomeru a od stupňa identity prahu odozvy. oboch tvarovačov.

Spôsob kompenzácie(metóda overlay) sa realizuje pomocou osciloskopu. Schéma metódy je znázornená na obr. 5.10, a.

Ryža. 5.10. Schéma implementácie metódy kompenzácie ( a) a priebeh (6) pri meraní fázového posunu

Napäťové signály U 1 a U 2 sú privádzané na vstupy Y a X osciloskopu a vstup Y je privádzaný cez odstupňovaný fázový posúvač a vstup X je privádzaný priamo.

Fázový posun medzi skúmanými napätiami U 1 a U 2 určuje sa zmenou fázy signálu s napätím U 3 fázový posúvač, kým sa na obrazovke neobjaví rovná šikmá čiara (obr. 5.10, b)čo udáva rovnosť fáz oboch signálov. Určený fázový posun ∆φ sa počíta na stupnici fázového posúvača vzhľadom na primárnu polohu zodpovedajúcu fázovej rotácii o 180°. Na zníženie chyby merania je potrebné opraviť fázové posuny vytvorené zosilňovačmi vertikálnych a horizontálnych vychyľovacích kanálov lúča osciloskopu. Tento postup sa vykonáva v rovnakom poradí ako pri meraní fázového posunu metódou sínusového rozmietania (pozri obr. 5.8). Ako indikátor nuly možno použiť elektronický voltmeter.

Chyba merania kompenzačnou metódou je malá (0,2 ... 0,5 °) a je určená hlavne kvalitou kalibrácie fázového posúvača.

Kompenzačná metóda sa používa aj v mikrovlnnej oblasti pri meraní fázového posunu zavedeného nejakým prvkom, ktorý je dodatočne zahrnutý v mikrovlnnej dráhe (filter, vlnovodný segment). 5.11.

Ryža. 5.11. Štrukturálny diagram merania fázového posunu v mikrovlnnej oblasti kompenzačnou metódou

Proces merania sa vykonáva v nasledujúcom poradí. Keď je skúmaný prvok Z vypnutý, mikrovlnná dráha na výstupe fázového posúvača je skratovaná zástrčkou. Keď je generátor zapnutý, v dráhe sa vytvorí stojatá vlna. Keďže minimum stojatej vlny je výraznejšie ako maximum, tak nastavením fázového posúvača sa uzol stojatej vlny posunie voči priečnej rovine umiestnenia sondy tak, aby usmerňovacie zariadenie (miliampérmeter) ukazovalo minimum, a hodnoty φ 1 sa zaznamenajú fázový posúvač. Potom sa medzi fázovým posúvačom a zástrčkou zapne skúmaný prvok Z, čím sa vytvorí posun napäťového uzla stojatej vlny a opäť fázový posúvač dosiahne minimálny údaj indikátora, ktorý bude pri počítaní φ 2. stupnica fázového posúvača.

Fázový posun zavedený skúmaným prvkom Z do mikrovlnnej dráhy je určený vzorcom

Namiesto fázového posúvača a sondy v uvažovanom obvode možno použiť meracie vedenie. Opísaný spôsob kompenzácie je nepriamy.

Dvojkanálový fázový merač vám umožňuje priamo merať fázový posun. Princíp činnosti dvojkanálového fázového merača je založený na premene fázového posunu na pravouhlé impulzy. Bloková schéma dvojkanálového fázového merača, časové diagramy signálov vysvetľujúce jeho činnosť a graf závislosti odčítania relatívneho indikátora ∆φ sú znázornené na obr. 5.12.

Ryža. 5.12. Štrukturálna schéma dvojkanálového fázového merača ( a), diagramy časovania signálu vysvetľujúce jeho činnosť (6) a graf závislosti hodnôt indikátora vzhľadom na ∆φ ( v)

Fázomer pozostáva z prevodníka ∆φ na časový posun ∆ t, rovná požadovanému fázovému posunu ∆φ a indikátoru merania. Prevodník sa skladá z dvoch rovnakých kondicionérov signálu a sčítačky, ktorá je spúšťačom.

Študované signály s napätím U 1 a U 2 s fázovým posunom ∆φ sú privádzané na vstupy dvoch rovnakých tvarovačov, ktoré premieňajú prijaté sínusové signály na sekvenciu krátkych impulzov s napätím U 3 a U 4 . impulzy s napätím U 3 spustiť spúšť a impulzy s napätím u 4 nastavte ho do pôvodnej polohy. Výsledkom je, že na výstupe sa vytvorí periodická sekvencia impulzov, ktorých doba opakovania a trvanie sa rovnajú perióde opakovania. T a časový posun ∆ tštudovaných signálov s amplitúdou ja som

Ako merací indikátor sa najčastejšie používa mikroampérmeter magnetoelektrického systému, ktorého hodnoty sú úmerné priemernej hodnote sily prúdu za periódu opakovania signálu. T.

Ako môžete vidieť z časového diagramu I = f(t)( pozri obr. 5.12, b) v obvode meracieho zariadenia pravouhlé impulzy s trvaním ∆ t. V dôsledku toho je priemerná hodnota prúdu pretekajúceho zariadeniami za dané obdobie úmerná dvojnásobnému relatívnemu časovému intervalu:

Z grafu (pozri obr. 5.12, b) vyplýva, že fázový posun medzi študovanými signálmi s napätím U 1 a U 2 zodpovedá časovému posunu ∆ t a môže byť vyjadrený vzorcom

z čoho vyplýva, že fázový uhol lineárne závisí od pomeru ∆ t/T:

Dosadením rovnice (5.15) do výrazu (5.14) dostaneme

(5.16)

Pri konštantnej hodnote amplitúdy výstupných impulzov sa stupnica indikátora, ktorý meria priemernú hodnotu prúdu ja 0, odstupňované v hodnotách ∆φ. V tomto prípade bude stupnica indikátora fázového merača lineárna. Výhodou dvojkanálového fázového merača je priame meranie ∆φ v rozsahu ±180°.

Elektronická metóda diskrétneho počítania je základom pre činnosť digitálneho fázového merača a pozostáva z dvoch hlavných etáp: transformácia fázového posunu do zodpovedajúceho časového intervalu a meranie tohto časového intervalu metódou diskrétneho počítania.

Zjednodušený blokový diagram digitálneho fázového merača a časové diagramy vysvetľujúce jeho činnosť sú znázornené na obr. 5.13.

Ryža. 5.13. Štrukturálny diagram fázového merača pri meraní fázového posunu metódou diskrétneho počítania (a) a časové diagramy signálov vysvetľujúce jeho činnosť (b)

Sínusový signál generovaný kremenným oscilátorom je privádzaný do formovacej jednotky, na výstupe ktorej sa tvoria počítacie impulzy, ktoré sú privádzané na jeden vstup časového voliča. Jeho druhý vstup prijíma konvertovanú sekvenciu impulzov s trvaním ∆ t s periódou opakovania študovaných signálov T. Prepínač sa otvára len na čas rovnajúci sa trvaniu ∆ t impulzy s napätím U 3 a prenáša impulzy s napätím do počítadla u 4 z generátora. Časový volič generuje pulzné pakety s napätím U 5 ( bez zmeny obdobia T), príchod k pultu v jednom balíku.

kde T0- perióda opakovania počítacích impulzov kremenného oscilátora.

Dosadením do vzorca (5.17) vzťah pre ∆ t zo vzorca (5.16) určíme ∆φ pre signály s napätím U 1 a U 2

(5.18)

Celková chyba merania touto metódou závisí od chyby diskrétnosti, ktorá je spôsobená tým, že interval ∆ t merané s presnosťou jednej periódy T 0, a od nestability doby odozvy meniča.

Veľký potenciál majú fázové merače so zabudovaným mikroprocesorom, ktoré dokážu merať fázový posun medzi dvoma periodickými signálmi za ľubovoľnú zvolenú periódu.

Na obrázku 5.14 je bloková schéma fázového merača so zabudovaným mikroprocesorom a diagramy časovania signálu, ktoré vysvetľujú jeho činnosť.

Po vstupnom zariadení sínusové signály s napätím U 1 a U 2 prichádzajú na vstupy meniča impulzov, v ktorých sa menia na krátke impulzy s napätím U"1 a U"2 Pomocou prvého páru týchto impulzov generuje tvarovač 1 impulz s napätím U 3 trvanie ∆ t, čo sa rovná časovému posunu signálov s napätím U 1 a U 2. Tento impulz otvorí volič času 1 a počas jeho pôsobenia prechádzajú na vstup počítadla 1 počítacie impulzy s periódou opakovania. T 0, ktoré produkuje mikroprocesor. Na vstup počítadla prešiel 1 paket impulzov s napätím u 4 znázornené na obr. 5.14, b. Počet impulzov v pakete je vyjadrený vzorcom

Tvarovač 2 zároveň generuje impulzy s napätím U 5, s dobou trvania rovnajúcou sa perióde opakovania študovaných signálov s napätím U 1 a U 2. Tento impulz otvorí volič 2 (po dobu jeho pôsobenia) a prejde z mikroprocesora do počítadla 2 balík impulzov s napätím Ty 6 a s bodkou T0, ktorých počet je v balení

Ryža. 5.14. Štrukturálna schéma fázového merača so vstavaným mikroprocesorom ( a) a diagramy časovania signálu vysvetľujúce jeho činnosť (b)

Na určenie požadovanej hodnoty fázového posunu ∆φ pre zvolenú periódu opakovania signálu T je potrebné nájsť pomer veličín (5.19) a (5.20) rovný

potom, berúc do úvahy základný vzorec ∆φ = 360° ∆ t/T vynásobte tento pomer o 360°:

(5.21)

Tento výpočet vykonáva mikroprocesor, do ktorého sa prenášajú kódy generované čítačmi 1 a 2 P a N. Pri príslušnom programe mikroprocesora sa na displeji zobrazí hodnota fázového posunu ∆φ pre ľubovoľnú zvolenú dobu T. Porovnaním takýchto posunov v rôznych periódach je možné pozorovať ∆φ fluktuácie a vyhodnocovať ich statické parametre, medzi ktoré patrí matematické očakávanie, rozptyl, štandardná odchýlka a nameraná priemerná hodnota fázového posunu.

Pri meraní fázovým meračom so zabudovaným mikroprocesorom je priemerná hodnota fázového posunu ∆φ pre danú hodnotu Komu obdobia Tčítače 1 a 2 zhromažďujú kódy pre počet impulzov prijatých na ich vstupoch pre Komu obdobia, t.j. číselné kódy PC a NK prenesené do mikroprocesora.

Malá chyba v meraní ∆φ s týmto fázovým meračom môže byť získaná iba pri dostatočne nízkej frekvencii skúmaných signálov. Rozšírenie frekvenčného rozsahu umožňuje predbežnú (heterodynnú) konverziu signálov.

Medzi hlavné metrologické charakteristiky fázových meračov, ktoré potrebujete vedieť pri výbere zariadenia, patria:

Účel zariadenia

· rozsah merania fázového posunu;

· frekvenčný rozsah;

· Prípustná chyba merania.